一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法

2023-04-25 18:28:11

專利名稱：一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器網絡定位方法，尤其涉及一種基於三跳環帶的傳感器網絡定 位方法。
背景技術：
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,簡稱WSN)作為一種全新的信息獲取和 處理技術，其應用越來越廣泛。在無線傳感器網絡中，大多數情況下只有掌握了傳感器節 點的位置信息，節點採集的數據才具有實際應用價值。現有定位技術中， 一般利用無線傳 感器網絡中少量己知位置的節點來獲得其他未知位置節點的位置信息；上述已知位置的節 點稱為錨節點，未知位置的節點稱為未知節點或待測節點。定位目標就是根據網絡中部分 位置己知的節點(錨節點)來估計其餘節點(未知節點)的位置。
現有無線傳感器網絡節點自身定位方法主要有兩種即基於測距技術的定位方法和無
需測距的定位方法。基於測距技術的定位方法通過測量節點間點到點的距離或角度信息計
算出待測節點的位置，上述方法的精度較高，但對節點的硬體也提出了很高的要求，並且
通常需要多次測量，循環求精，在獲得相對精確的定位結果的同時會產生大量計算和通信
開銷，所以，這種方法雖然定位精度較高，但不適用於低功耗，低成本的應用領域。
無需測距的定位方法無需距離和角度信息，僅根據網絡連通性和己知位置的錨節點等
信息就能實現相對精確的定位功能，但是無需測距的定位方法的精度和收斂速度一定程度
上依賴於網絡平均每跳距離估計的精度，而且當傳感器網絡各向異性或拓撲結構比較複雜
時算法的性能將明顯變差。
近年來開發出的各種無線傳感器網絡定位算法與機制，所採用的網絡場景通常分為連
續和離散兩種模型。其中離散模型方法便於規範建模及統計分析，降低算法複雜度。大部 分基於離散網絡模型的定位方法，對錨節點射頻通信距離內的未知節點進行定位，能夠逼 近節點的真實位置，但缺點是定位精度及算法覆蓋度不高，對錨節點的密度及分布有很嚴
格的要求；同時還極易受誤差傳播以及噪聲對測距的影響，算法穩定性不高。相繼出現的 其他同類方法，也沒有能夠有效提高制約算法應用的精確度及覆蓋率，所以研究如何解決 這兩個問題是必須的和必要的。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有的定位技術提供一種定位精度高，不易受 環境因素影響，且成本低的無需測距的一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為採用離散化的定位網絡模型，該無線 傳感器網絡中部屬一部分位置確定的錨節點作為參考節點。錨節點向網絡中廣播三種不同 強度的信標信號，未知節點根據自身接收到的信標信息，判斷自身所處的通信環帶。最終 以多個錨節點的通信環帶對待測節點位置形成的約束，取重疊區域的中心，作為未知節點 位置的最終估計值。
本發明的具體內容為在正方形的無線傳感器網絡分布區域中，隨機分布的W個節點 中有尺個錨節點。錨節點按照不同強度發射信標信號，廣播其位置信息給整個網絡，在其 射頻半徑通信範圍內的節點能接收到該廣播信號。在離散網絡模型中的通信環帶
(Cincture)，將約束節點位置的錨節點數目縮小到其三跳通信範圍內，進而對多個未知節 點進行分布式的定位，有效提高定位準確度和定位覆蓋率，降低網絡節點功耗。
本發明的方法步驟如下1)對於無線傳感器網絡進行網絡模型離散化，節點的傳播
距離以及節點之間的距離都表示為離散單元形式，圓形通信範圍轉化為正方形範圍；2) 網絡中的每個錨節點獲取自己的位置信息；3)每個錨節點向網絡中廣播信標信號，發送 強度分三種，信標信號中包括該錨節點的位置信息和ID; 4)在錨節點的三種不同強度的 射頻信標範圍內的未知節點，接收到信標信號；5)未知節點根據信標信號的信息，確認 自身處於該錨節點的哪一個射頻通信環帶內；6)根據更多其他錨節點對該未知節點形成 的環帶約束條件，確定所有約束區域的重疊區，作為節點可能所處的位置；7)取重疊區 域的中心，作為未知節點的最終估計位置。
該步驟1中的網絡模型離散化，意味著網絡數學模型的簡化與理想化，同時在後續 定位估計階段可以藉助概率論和離散數學、統計學等知識，簡化計算量。
該步驟2和3具體為.錨節點預先獲取自身位置信息，作為網絡中其他大量未知節點 定位估計的參考節點，錨節點向其鄰居節點廣播包含其位置信息和自身ID的信標信息數 據包，錨節點採取三種不同的強度發送信標信號，從而每種強度之間都形成一個通信環帶， 這符合現實應用中錨節點比普通節點功能更強大結構更複雜的情況，而且也縮小了通信範 圍的不確定性，對於提高定位精度起到關鍵作用。
該步驟4和5具體為接收到信標信息後，未知節點得知自己位於哪一個錨節點的範
圍內，以及位於何種強度的環帶內。該步驟6和7具體為未知節點同時接收到多個信標信號，判斷出這些信標信號形成 的環帶的重疊區域，可以肯定未知節點的真實位置一定處在該重疊區域內，從而以重疊區 域的中心作為未知節點的估計位置。
本發明提出的定位機制延伸了約束節點位置的通信距離，擴展了算法的覆蓋範圍，降 低了網絡節點功耗。當通信距離較大時，算法對於錨節點密度的要求基本不變。更加符合 複雜傳感器網絡對健壯性和穩定性的要求。


圖1為本發明/7=2時的基於三跳環帶的離散定位網絡模型。
具體實施例方式
本發明所述無線傳感器網絡節點定位方法通過以下歩驟實現。
1、 首先對無線傳感器網絡模型進行離散化，如圖1所示。假定"為偶數，將g分解 成(w + l)2個正方形單元格(cell) , g-[-"/2,"/2]x[-"/2，"/2]。節點位置用其所處單元
格的坐標(/,力表示，-w/2S/，7、"/2。錨節點的射頻信號發射釆用p、 2p、 3 等三種不
同的通信距離，相應的一跳、二跳、三跳通信範圍是以該節點為中心，邊長分別為2p + l、
4/ + 1、 6p + l的正方形。規定0</7^"/8。
2、 設節點S坐標為(jc,力，它的一跳、二跳、三跳通信環帶(Cincture)分別為
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3、 當討論距離Q邊界至少/7的區域gp-C(t;內的未知節點。錨節點對整個網絡廣播 攜帶自身位置的三種強度的信標信號。假定某個未知節點S接收到的三種來自於不同 錨節點的信標信號的數量分別為附,、w2、附3，則這些信號的發送錨節點Sn，…，Slm|、
S21， ...， s2mi、 S31， ...， S、就形成了對S位置的線性約束。
4、 如果m,、m2和m3不全為0，約束S位置的錨節點全都位於C3SP之內；
5、 如果m1,m2和m3全為0，則需要考慮所有錨節點形成的約束，這樣估計出來的
區域通常很大，可認為由於該節點周圍錨節點過於稀疏導致無法定位。
6、令/s,、 /S2、 /^分別代表S的一跳、二跳、三跳環帶內的錨節點通信範圍交集。
formula see original document page 6
7、 ^表示S所有可能位置的集合，則
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與現有技術相比，本發明的優點在於錨節點採取三種不同強度發送信標信號，減少 了不必要的能量消耗以及不同錨節點信標之間的幹擾；未知節點根據其接收到的錨節點信 標信號，判斷出發送的信號強度以及錨節點ID，進而確定自身的位置估計，多個錨節點形 成的通信環帶降低了估計位置的不確定性，減小了其分布的可能區域，能有效減少定位誤 差，提高定位精度。
權利要求
1、一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法，其特徵在於方法步驟如下1)對於無線傳感器網絡進行網絡模型離散化，節點的傳播距離以及節點之間的距離都表示為離散單元形式，圓形通信範圍轉化為正方形範圍；2)網絡中的每個錨節點獲取自己的位置信息；3)每個錨節點向網絡中廣播信標信號，發送強度分三種，信標信號中包括該錨節點的位置信息和ID；4)在錨節點的三種不同強度的射頻信標範圍內的未知節點，接收到信標信號；5)未知節點根據信標信號的信息，確認自身處於該錨節點的哪一個射頻通信環帶內；6)根據更多其他錨節點對該未知節點形成的環帶約束條件，確定所有約束區域的重疊區，作為節點可能所處的位置；7)取重疊區域的中心，作為未知節點的最終估計位置。
2、 根據權利要求1所述的一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法，其特徵在於-步驟l)中的網絡模型離散化，意味著網絡數學模型的簡化與理想化，同時在後續定位估計 階段可以藉助概率論和離散數學、統計學等知識，簡化計算量。
3、 根據權利要求1所述的一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法，其特徵在於 歩驟2)和3)具體為錨節點預先獲取自身位置信息，作為網絡中其他大量未知節點定位估 計的參考節點，錨節點向其鄰居節點廣播包含其位置信息和自身ID的信標信息數據包，錨節點採取三種不同的強度發送信標信號，從而每種強度之間都形成一個通信環帶。
4、 根據權利要求1所述的一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法，其特徵在於-歩驟4)和5)具體為接收到信標信息後，未知節點得知自己位於哪一個錨節點的範圍內，以及位於何種強度的環帶內。
5、 根據權利要求1所述的一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法，其特徵在於 步驟6)和7)具體為未知節點同時接收到多個信標信號，判斷出這些信標信號形成的環帶 的重疊區域，可以肯定未知節點的真實位置一定處在該重疊區域內，從而以重疊區域的中 心作為未知節點的估計位置。
全文摘要
一種基於三跳環帶的傳感器網絡定位方法，在無線傳感器網絡離散模型中，建立節點通信範圍的環帶概念，將約束節點位置的錨節點數目縮小到其三跳通信範圍內，以多個環帶通信範圍的重疊區域作為節點可能的位置區域，並取該區域的中心作為節點的估計位置。這種定位方法採用分布式計算和處理，有效地提高了未知節點定位的準確性及覆蓋率，降低了計算開銷及網絡節點功耗，同時保障定位的穩定性，抗幹擾能力強，具有一定的應用價值，適用於大規模的隨機網絡，能夠有效符合無線傳感器網絡分布式高精度定位的要求。
文檔編號H04L12/28GK101364915SQ20081010706
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月4日 優先權日2008年9月4日
發明者向滿天, 張堅林, 李立宏, 鄒文生, 卉 陳, 龍承志 申請人:南昌大學